濃縮系統(tǒng)換熱器傳熱速率低的原因分析及改造

余 波，谷海明，魏林松

（云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司，云南 昆明 650113）

0 引言

云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司有1套100 kt/a濕法磷酸凈化裝置，其中濃縮工序?yàn)閺?qiáng)制循環(huán)、間接傳熱、真空蒸發(fā)、雙效濃縮的系統(tǒng)。濃縮工序長周期穩(wěn)定運(yùn)行是濕法磷酸凈化裝置安全生產(chǎn)的保障，然而實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)濃縮系統(tǒng)換熱器列管內(nèi)壁易附著活性炭而使得傳熱系數(shù)降低、蒸汽加入量不足，降低了生產(chǎn)負(fù)荷。針對此問題進(jìn)行原因分析及技術(shù)改造。

1 濃縮系統(tǒng)設(shè)備情況

1.1 相關(guān)設(shè)備參數(shù)

濃縮系統(tǒng)換熱器、軸流泵、軸流泵電機(jī)的相關(guān)參數(shù)分別見表1、表2、表3。

表1 換熱器相關(guān)參數(shù)

表2 軸流泵相關(guān)參數(shù)

表3 軸流泵電機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.2 換熱器傳熱速率低的原因分析

根據(jù)傳熱速率方程式Q=KAΔT（式中Q為傳熱速率，W；K為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A為傳熱面積，m2；ΔT為傳熱溫度差，K）可以看出，欲提高傳熱速率，可通過增加換熱器傳熱面積、增加傳熱溫度差、提高傳熱系數(shù)3條路徑。換熱器作為價(jià)值較高的重要設(shè)備，增加換熱面積將導(dǎo)致生產(chǎn)費(fèi)用大幅度增加，且改造過程耗時(shí)長，影響裝置運(yùn)行率；傳熱溫度差由工藝條件決定，無法改變；只能通過提升傳熱系數(shù)來提高傳熱速率。

傳熱系數(shù)關(guān)系式如下：

式中α1、α2——冷熱流體側(cè)對流傳熱膜系數(shù)，W/（m2·K）；

R——垢層熱阻，m2·K/W；

δ——壁面厚度，m；

λ——壁面材料熱導(dǎo)率，W/（m·K）。

由式（1）可以看出，傳熱系數(shù)與冷熱流體側(cè)對流傳熱膜系數(shù)、垢層熱阻、壁面厚度及壁面材料熱導(dǎo)率都有關(guān)系。其中壁面厚度及壁面材料熱導(dǎo)率在換熱器生產(chǎn)完成后就無法改變，因此欲提高傳熱系數(shù)，可提高冷熱流體側(cè)對流傳熱膜系數(shù)、降低垢層熱阻。提高流體流速可增加湍流程度，既可減少層流邊界層厚度，也可防止活性炭沉積在管壁，減小垢層熱阻［1］?？梢妼τ谝粋€(gè)使用中的石墨列管換熱器，流體的循環(huán)量及流速是影響其傳熱系數(shù)的關(guān)鍵因素。

從以上分析及表1、2可以看出，濃縮系統(tǒng)軸流泵所提供的流體循環(huán)量、換熱器管內(nèi)流速未達(dá)到設(shè)計(jì)值是造成換熱器傳熱速率低的重要原因。

2 改造方案

2.1 方案初定

改造初步方案如表4所示。

表4 改造初步方案

根據(jù)表4分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇以增大電機(jī)端帶輪直徑的方法來提升泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行技術(shù)改造。

2.2 電機(jī)端帶輪直徑計(jì)算

1）泵轉(zhuǎn)速計(jì)算

根據(jù)葉片泵相似定律，當(dāng)葉輪不做改變時(shí)，泵轉(zhuǎn)速與流量成正比關(guān)系［2］：

式中qV1——泵設(shè)計(jì)流量，m3/h；

qV2——泵實(shí)際流量，m3/h；

n1——泵改造后轉(zhuǎn)速，r/min；

n2——泵原轉(zhuǎn)速，r/min。

將表2參數(shù)代入式（2），得

2）傳動(dòng)比計(jì)算

傳動(dòng)比計(jì)算公式見式（3）［3］：

式中i——改造后傳動(dòng)比；

n電機(jī)——電機(jī)轉(zhuǎn)速，即電機(jī)端帶輪轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)算i=990/612=1.62。

3）電機(jī)端帶輪直徑計(jì)算

電機(jī)端帶輪直徑計(jì)算公式見式（4）［3］：

式中dp2——泵端帶輪直徑，mm；

dp1——改造后電機(jī)端帶輪直徑，mm。

計(jì)算dp1=dp2/i=782/1.62 mm=483 mm。

2.3 改造方案確定

由以上計(jì)算及表1、2、3可知，只要將電機(jī)端帶輪直徑由415 mm增大至483 mm，即可將泵轉(zhuǎn)速提升至612 r/min，泵的流量就能達(dá)到2 800 m3/h，流體流速也能達(dá)到2.38 m/s的設(shè)計(jì)值。電機(jī)、泵端帶輪、V帶利舊，帶輪的槽型無須更改。

3 方案驗(yàn)證

由于帶輪傳動(dòng)有其必須滿足的條件，所以改造后需驗(yàn)證帶速和小帶輪包角是否滿足要求；同時(shí)泵流量增大會導(dǎo)致功率增加，原電機(jī)是否滿足要求也需驗(yàn)證。

3.1 帶速驗(yàn)證

帶速計(jì)算公式［3］如式（5）所示：

式中v——帶速，m/s；

dd1——電機(jī)端帶輪基準(zhǔn)直徑，450 mm。

普通V帶帶速上限取25 m/s，則5 m/s＜v＜25 m/s，帶速符合要求。

3.2 小帶輪包角驗(yàn)證

小帶輪包角計(jì)算公式如式（6）所示：

式中dd2——大帶輪基準(zhǔn)直徑，750 mm；

a——軸間距，1 075 mm。

3.3 電機(jī)功率

電機(jī)功率計(jì)算公式［4］如式（7）所示：

式中qV——泵流量，m3/h；

ρ——流體密度，1 350 kg/m3；

H——泵揚(yáng)程，m；

η——泵效率，60%。

給出20%安全系數(shù)，電機(jī)功率P=85.8×1.2kW=103kW＜110kW，原電機(jī)功率滿足要求。

3.4 小結(jié)

通過以上計(jì)算可得：改造后帶輪及電機(jī)均能滿足要求。

4 具體改造

新采購1個(gè)電機(jī)端帶輪，泵端帶輪、電機(jī)、V帶利舊，利用裝置1 d停車時(shí)間，更換電機(jī)端帶輪，調(diào)整電機(jī)安裝位置，使V帶張緊，找正即可。

5 改造后效果

改造前后濃縮系統(tǒng)指標(biāo)對比見表5。

表5 改造前后濃縮系統(tǒng)指標(biāo)對比

自2018年改造后，進(jìn)入換熱器列管的流體流量及流速都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，換熱器的傳熱速率得到提升，蒸汽加入量恢復(fù)正常，噸磷酸消耗蒸汽量下降明顯，濃縮運(yùn)行率也同步提升，達(dá)到了降耗增效的目的。